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            趙巖課題組與合作者揭示人源鈣通道CaV3.3門控機制以及與藥物識別機制

            發布時間:2022年04月22日

              鈣離子(Ca2+)是細胞內重要的第二信使,參與神經信號傳遞、肌肉收縮、調控細胞的增殖、凋亡和分化等多種重要生理過程。電壓門控鈣離子通道(CaV)可以響應細胞膜電位變化而激活,介導Ca2+進入細胞,進而激活一系列下游信號通路。在人類基因組中,編碼電壓門控鈣離子通道的基因有10種。根據膜電位去極化激活閾值分為兩類:高電壓激活(HVA)和低電壓激活(LVA)鈣通道,高電壓激活的鈣通道需要較強的去極化刺激才能激活。低電壓激活的鈣通道也稱為T型鈣離子通道可以在較弱的去極化刺激下激活,其特點為低電壓激活,快速失活。這種門控特性使其在細胞膜發生輕微去極化的情況下就會導致通道的打開,是細胞在接近靜息電位狀態時胞內Ca2+的重要來源。T型鈣離子通道廣泛分布于各種組織,參與心臟起搏、肌肉興奮-收縮偶聯以及細胞生長的調控等過程,其功能異常與心律失常、高血壓、癲癇和精神病等相關。因此,T型鈣離子通道是重要的藥物研究靶標,對其結構和功能特征的全面了解以及揭示藥物分子與離子通道的作用機制具有重大意義。

              2022年04月19日,中國科學院生物物理研究所趙巖課題組和北京大學藥學院黃卓課題組合作,在《Nature communications》期刊上合作發表題為“Structure, gating, and pharmacology of human CaV3.3 channel”的文章,該研究利用單顆粒冷凍電鏡技術解析了人源電壓門控T型鈣離子通道CaV3.3在未結合底物狀態(Apo)(圖1a)以及分別與抗高血壓藥米貝拉地爾(Mibefradil)、解痙攣和抗膽堿能藥物奧替溴銨(Otilonium Bromide)和抗精神病藥匹莫齊特(Pimozide)三個小分子藥物結合狀態下的高分辨率結構,闡明了不同藥物分子如何高效阻斷CaV3.3通道。結合電生理實驗,首次鑒定了調控T型鈣離子通道在低電壓下激活的結構元件。

              研究人員發現在T型鈣離子通道CaV3.3中包含一個長螺旋(S6III),包括跨膜部分(S6TM)和胞質部分(S6Cyto)。其中,S6TM參與構成通道在細胞質一側的門閘。位于胞質中的S6Cyto部分富含帶正電的氨基酸殘基(19個氨基酸殘基中有12個為精氨酸或賴氨酸),該序列特征在所有低電壓激活的T型CaV通道中保守,但在高電壓激活的CaV通道(例如CaV2.2)中不保守。為了驗證S6Cyto的功能,我們將S6Cyto螺旋中的12個正電氨基酸突變為電中性的谷氨酰胺(CaV3.312Q)。電生理實驗結果表明,CaV3.312Q激活過程的電壓依賴性向膜電位去極化方向移動(圖1b),暗示了S6Cyto中的正電荷可能感受膜電位的變化,使通道在接近靜息膜電位附近開放。為了進一步驗證該推測,我們在S6TM和S6Cyto部分的交界處引入甘氨酸突變(CaV3.33G),將完整的S6III螺旋結構破壞為兩段螺旋。電生理實驗結果表明,CaV3.33G傾向于在更加去極化的膜電位條件下被激活,進一步說明了帶正電荷的 S6Cyto 區能夠響應膜電位的變化,并通過螺旋剛性結構直接傳遞給S6TM區,從而影響門控通道的開放。

              該研究還解析了CaV3.3分別與三個藥物小分子結合狀態下的高分辨率結構(圖1c)。盡管這些藥物小分子均結合在中央空腔,但是不同小分子與其結合位點周圍殘基的關鍵相互作用并不相同。同時,我們在結構中發現了多個磷脂分子的密度,磷脂分子不同程度地深入到中央空腔中并參與藥物小分子與CaV3.3的結合,對穩定這些藥物分子也起到重要作用。這些結構清楚地闡明了這些藥物分子如何高效阻斷T型CaV通道,為未來藥物的設計和開發提供了結構基礎。

            圖1:T型鈣離子通道CaV3.3低電壓激活的關鍵元件以及與三個小分子藥物識別的結構信息

              中國科學院生物物理所趙巖研究員是本研究論文的通訊作者。生物物理所副研究員何玲莉和碩士研究生于卓亞、北京大學碩士研究生耿澤和研究員黃卓為本文的共同第一作者。中國科學院生物物理研究所生物成像平臺為本研究提供了設備和技術支持。本研究獲得了科技部重點研發計劃、中國科學院戰略性先導科技專項(B類)、國家自然科學基金委員會項目和中國科學院青促會的資助。

              文章鏈接:https://www.nature.com/articles/s41467-022-29728-0

             

            (供稿:趙巖研究組)

             

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